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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine HF-Antenne sowie von
einer solchen Antenne Gebrauch machende Geräte zum Bohren eines Bohrlochs.
Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine während des
Bohrens von solchen Geräten
ausgeführte
kernmagnetische Resonanzmessung.
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In
der Öl-
und Gasindustrie werden Kohlenwasserstoffe aus Öl und Gas enthaltenden Formationen
durch Bohren eines Bohrlochs zu der Formation unter Verwendung eines
Bohrsystems gewonnen. Das System hat gewöhnlich einen Bohrmeißel, der am
Ende eines Bohrstrangs gehalten ist. Der Bohrstrang besteht aus
einem Förderrohr,
das ein aus zusammengesetzten Abschnitten hergestelltes Gestängerohr
oder ein kontinuierliches gewickeltes Rohr sein kann, und einer
Bohranordnung, die einen Bohrmeißel an ihrem unteren Ende hat.
Die Bohranordnung ist an dem sohlenseitigen Ende des Förderrohrs
befestigt. Zum Bohren eines Bohrlochs dreht ein Spülflüssigkeitsmotor,
der von der Bohranordnung getragen wird, den Bohrmeißel, oder
der Bohrmeißel
ist mit dem Gestängerohr
gekoppelt, das von Motoren über
Tage gedreht wird. Aus einer über
Tage befindlichen Quelle (Spülgrube)
wird ein Bohrfluid, auf das auch als "Spülflüssigkeit" Bezug genommen wird,
unter Druck durch das Förderrohr
gepumpt. Die Spülflüssigkeit
dient mehreren Zwecken. Sie ist dafür vorgesehen, für den hydrostatischen
Druck zu sorgen, der größer ist
als der Formationsdruck, um Eruptionen zu verhindern. Die Spülflüssigkeit
treibt den Bohrmotor (wenn ein solcher verwendet wird) an und ist
auch die Schmierung für
verschiedene Elemente des Gestängestrangs.
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Die
in dem Ringraum zwischen dem Gestängestrang und der Bohrlochwand
strömende
Spülflüssigkeit
drängt
aufgrund des von ihr ausgeübten Drucks über eine
kurze Entfernung in die Formation ein. Obwohl dieser erhöhte Druck
dazu beiträgt, Eruptionen
zu verhindern, wird der Bereich, der als die Invasions- oder Eindringzone
bezeichnet wird, mit der Spülflüssigkeit
verunreinigt. Aufgrund dieser Verunreinigungen können alle Messungen an Formationsflui den
in der Invasionszone ungenau sein. Aus diesem Grund möchte man
jenseits der Eindring zone Fluidproben nehmen und die Fluide untersuchen.
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Während der
Bohrvorgänge
werden Informationen über
eine spezifische Formation gesammelt, wenn das Bohrloch einmal den
als interessierende Zone bekannten Bereich erreicht. In der interessierenden
Zone werden zum Sammeln von Daten, die sich auf verschiedene interessierende
Parameter, einschließlich
Druck, Temperatur und andere physikalische und chemische Eigenschaften
des Formationsfluids und/oder der Spülflüssigkeit beziehen, im Bohrloch
befindliche Instrumente und/oder Probenahmevorrichtungen verwendet.
Diese Datensammelvorgänge
während
des Bohrens sind als Messung während
des Bohrens (MWD – Measurement While
Drilling) oder als Vermessen während
des Bohrens (LWD – Logging
While Drilling) bekannt. Die Unterschiede zwischen MWD und LWD sind
im Stand der Technik bekannt und sind für die vorliegende Erfindung
nicht besonders relevant. Deshalb wird das Wesentliche auf die LWD-Terminologie
beschränkt. In
dem Rahmen der Erfindung sollen jedoch MWD-Ausführungsformen und -Verfahren
zusammen mit dem Drahtseilvermessen eingeschlossen werden.
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Ein
zur Bestimmung von Eigenschaften des Formationsfluids bekanntes
LWD-Verfahren ist die Kernspinresonanz- oder NMR-(Nuclear Magnetic Resonance-)Bohrlochmessung.
Zur Bestimmung von Eigenschaften von Erdformationen einschließlich des
Anteilsvolumens von Porenraum und des Anteilsvolumens von mobiler
Fluidfüllung
der Porenräume
der Erdformationen können
NMR-Bohrlochmessgeräte
verwendet werden. Verfahren, welche NMR-Messungen zum Bestimmen des anteiligen
Volumens des Porenraums und des anteiligen Volumen von mobilem Fluid
verwenden, sind beispielsweise in "Sein Echo Magnetic Resonance Logging:
Porosity and Free Fluid Index Determination (Magnetresonanz-Spinechomessung:
Porosität
und Indexbestimmung von freiem Fluid)" von M. N. Miller et al., Society of
Petroleum Engineers paper no. 20561, Richardson, Texas, 1990, beschrieben.
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Eine
NMR-Messung hängt
von der Ausrichtung des magnetischen Moments von Protonen bei einem
aufgeprägten
Magnetfeld ab. Bei der NMR-Messung sind die Protonen von Wasserstoffkernen
von Interesse. Der Spin der Protonen neigt dazu, dass sie sich zu
dem Magnetfeld ausrichten. NMR-Geräte machen gewöhnlich Messungen,
die einer Zeitgröße entsprechen,
während
der in den Erdformationen vorhandene Wasserstoffkerne ihre Spinachsen
und demzufolge ihre Massemagnetisierung bei einem angelegten Magnetfeld
wesentlich neu ausrich ten. Das angelegte Magnetfeld wird gewöhnlich von
einem Permanentmagneten gebildet, der in dem Gerät angeordnet ist. Die Spinachsen
der Wasserstoffkerne der Erdformation, also in dem Aggregat, richten
sich zu dem von dem Magneten aufgeprägten Magnetfeld aus.
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Das
NMR-Gerät
hat gewöhnlich
eine Antenne, die nahe am Magneten angeordnet und so geformt ist,
dass ein Impuls mit HF-Leistung, der durch die Antenne geleitet
wird, ein HF-Magnetfeld
in der Erdformation induziert. Das HF-Magnetfeld ist insgesamt orthogonal
(senkrecht) zu dem Feld, das von dem Magneten aufgeprägt wird.
Der erste HF-Impuls, der gewöhnlich
90-Grad-Impuls genannt wird, hat eine Dauer und Amplitude, die so
vorherbestimmt sind, dass sich die Spinachsen der Wasserstoffkerne insgesamt
senkrecht zu dem statischen Magnetfeld ausrichten, das von dem Magneten
angelegt wird. Wenn der 90-Grad-Impuls
endet, kehren die kernmagnetischen Momente der Wasserstoffkerne
in einer Präzessionsrotation
in ihre ursprüngliche
Ausrichtung zu dem Feld des Magneten allmählich zurück oder "entspannen" sich allmählich dahin.
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Die
Präzessionsdrehung
erzeugt HF-Energie mit einer Frequenz, die proportional zur Stärke des
von dem Magneten angelegten Magnetfelds ist, wobei auf diese Frequenz
als Larmor-Frequenz
Bezug genommen wird. Die Proportionalitätskonstante für die Larmor-Frequenz
ist als das gyromagnetische Verhältnis
(γ0) bekannt. Das gyromagnetische Verhältnis ist
für jedes
Isotop eines chemischen Elements einmalig. Die Spinachsen der Wasserstoffkerne "dephasieren" allmählich aufgrund
von Inhomogenitäten
in dem Magnetfeld und infolge von Unterschieden in der chemischen
und magnetischen Umgebung in der Erdformation. Die Dephasierung
führt zu
einer schnellen Abnahme in der Größe der Spannungen, die in der
Antenne induziert werden. Auf die schnelle Abnahme der induzierten
Spannung wird als freier Induktionsabfall (FID – Free Induction Decay) Bezug
genommen. Die FID-Rate wird hauptsächlich durch die Spin-Dephasierung
bestimmt, die durch die Inhomogenitäten des statischen Magnetfelds
verursacht wird. Ein Prozess, auf den als Spinecho-Messung Bezug
genommen wird, kann den Spinabfall in einem nicht homogenen Feld
im Wesentlichen wiederherstellen.
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Eine
Spinecho-Messung kann wie nachstehend erläutert beschrieben werden. Nach
einem vorgegebenen Zeitraum, der auf den FID folgt, wird an die
Antenne ein weiterer HF-Impuls angelegt. Dieser HF-Impuls hat eine
vorgegebene Amplitude und Dauer, um die Spinachsen der Wasserstoffkerne
in der Erdformation durch eine axiale Drehung von 180 Grad von ihren
unmittelbar vorhergehenden Orientierungen aus neu auszurichten,
worauf deshalb als 180- Grad-Impuls
Bezug genommen wird. Nach dem Ende des 180 Grad-Impulses werden
die Wasserstoffkernachsen, die mit einer geringeren Geschwindigkeit
präzessierten,
dann so ausgerichtet, dass sie sich "vor" den
schneller präzessierenden
Spinachsen befinden. Die 180- Grad-Reorientierung
der Kernspinachsen führt
deshalb dazu, dass die schneller präzessierenden Achsen neu "hinter" den langsamer präzessierenden
Achsen ausgerichtet werden. Die schneller präzessierenden Achsen "schließen" dann schließlich zu
den langsamer präzessierenden
Achsen nach der 180-Grad-Orientierung "auf" und
kommen in die angenäherte
Ausrichtung zu ihnen. Wenn eine große Anzahl von Spinachsen dadurch
zueinander "rephasiert" wird, sind die axialen
Präzessionen der
Wasserstoffkerne wieder in der Lage, messbare Spannungen in der
Antenne zu induzieren. Auf die Spannungen, die infolge der Rephasierung
der Wasserstoffkernachsen zueinander nach einem 180-Grad-Impuls
induziert werden, wird als "Spinecho" Bezug genommen.
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Die
durch Spinecho induzierte Spannung ist typischerweise kleiner als
die ursprüngliche,
nach Aufführen
des ersten HF-Impulses erzeugte Spannung, weil die gesamte axiale
Kernausrichtung und konsequenterweise die Magnetisierung der Masse der
Wasserstoffkerne zum Zeitpunkt des Spinechos zu dem Feld des Magneten
und weg von der empfindlichen Achse der Antenne wenigstens teilweise neu
ausgerichtet ist. Die Spinechospannung fällt durch den FID ab, da die
schneller präzessierenden Kernachsen
von den langsamer präzessierenden Kernachsen
aus schnell "dephasieren".
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Nach
einem weiteren Zeitraum, der gewöhnlich
zwei der vorgegebenen Zeiträume
zwischen dem anfänglichen
90-Grad-HF-Impuls und dem 180-Grad-Impuls entspricht, wird an die
Antenne ein weiterer HF-Impuls von im Wesentlichen der gleichen Amplitude
und Dauer wie der 180-Grad-Impuls angelegt. Dieser nachfolgende
HF-Impuls führt
zu einer weiteren 180-Grad-Drehung
der Spinachsenausrichtung. Dieser nächste 180-Grad-Impuls und die
darauf folgende Spinachsen-Neuausrichtung führt wiederum dazu, dass die
langsamer präzessierenden
Spinachsen vor den schneller präzessierenden
Spinachsen positioniert werden. Schließlich tritt ein weiteres Spinecho
auf und induziert messbare Spannungen in der Antenne. Die induzierten
Spannungen dieses nächsten
Spinechos sind typischerweise in der Amplitude kleiner als diejenigen
des vorhergehenden Spinechos.
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Zur
Erzeugung aufeinander folgender Spinechos, von denen jedes typischerweise
eine kleinere Amplitude als das vorhergehende Spinecho hat, werden
an die Antenne aufeinander fol gende 180-Grad-HF-Impulse angelegt.
Die Rate, mit der die Spitzenamplitude der Spinechos abfällt, steht
in Beziehung zu interessierenden petrophysikalischen Eigenschaften
der Erdformation. Eine bestimmte Anzahl von Spinechos, die benötigt werden,
um die Rate des Spine cho-Amplitudenabfalls zu bestimmen, steht
in Beziehung zu den Eigenschaften der Erdformation. In einigen Fällen können so
viel wie 1000 Spinechos erforderlich sein, um den Amplitudenabfall
entsprechend den Eigenschaften der Erdformation zu bestimmen, die
interessieren. Die Verteilung der Raten, mit der die Spitzenamplitude
der Spinechos abfällt,
steht in einer direkten Beziehung zu interessierenden Parametern
in der Erdformation.
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Wie
vorher erwähnt,
verwenden NMR-Geräte
eine Antenne zur Erzeugung des HF-Felds und zum Empfangen des Echosignals
aus dem zu analysierenden Formationsfluid. Eine NMR-Antenne hat gewöhnlich eine
Spule, die um einen Kern herum zur Erhöhung der Induktion der Spule
und zum Minimieren von Wirbelströmen
in dem Gerätegehäuse aus Stahl
angeordnet ist. Die Verwendung eines verstärkenden Kerns ermöglicht eine
kleinere Antenne, die besonders für Anwendungen im Bohrloch nützlich ist.
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Zum
Verstärken
von Echos mit niedriger Leistung, die vor der Verarbeitung des Signals
empfangen werden, werden Verstärker
mit hohem Verstärkungsgrad
verwendet. Es ist äußerst wichtig, dass
das Echo vom Rauschen unterscheidbar ist. Das Verhältnis von
Signalamplitude zu Rauschamplitude, das als Signal-Rausch-Verhältnis bekannt
ist, sollte so groß wie
möglich
sein. Dies gewährleistet, dass
das Echo auch nach einer Verstärkung
unterschieden werden kann.
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Eine
Hauptquelle für
das Rauschen, das als abklingendes Nachschwingen bekannt ist, wird
durch mechanische Oszillationen in der Antenne und durch andere
Komponenten des Sensors induziert. Ein Hauptgrund für die Oszillation
ist eine bestimmte Eigenschaft des Antennenkernmaterials, das gewöhnlich aus
einem weichen Ferrit ausgewählt
wird. Ferrit ist ein Material, das bei Vorhandensein eines Magnetfelds
seine Form ändert.
Wenn das Magnetfeld entfernt ist, kehrt das Material anschließend in
seine Ursprungsform zurück.
Diese Eigenschaft ist als Magnetostriktion bekannt. Das durch die
Magnetostriktion erzeugte Nachschwingen wird als magnetostriktives
Nachschwingen bezeichnet. Aus Untersuchungen von Ferritmaterialien
ist bekannt, dass die unterschiedlichen Materialien unterschiedliche
Verformungseigenschaften haben, wenn sie dem gleichen Magnetfeld
ausgesetzt werden. Bei einem angelegten Magnetfeld dehnen sich einige
Ferrite aus, während
sich andere zusammenziehen. Beide Arten kehren, wie erwähnt, zu
den Ursprungsabmessungen zurück
wenn das Feld entfernt wird.
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Eine
Bohrloch-NMR-Messvorrichtung ist beispielsweise in dem
US-Patent 4,350,955 , ausgegeben für Jackson
et al., beschrieben. Die Vorrichtung, die in dem '955-Patent von Jackson
et al. offenbart ist, hat Permanentmagnete, die so gestaltet sind, dass
sie ein Magnetfeld in den Erdformationen induzieren, das ein ringförmiges Volumen
mit im Wesentlichen gleicher Magnetfeldstärke hat. Dieses Patent beschreibt
die Physik der NMR-Technologie sehr gut.
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Eine
Vorrichtung, die in dem
GB-Patent 2,141,236 von
Clow et al., veröffentlicht
am 12. Dezember 1984, offenbart ist, hat verglichen mit der Vorrichtung
von '955 nach Jackson
et al. ein verbessertes Verhältnis
von Signal zu Rauschen, da sie in der Antenne ein Ferrit mit hoher
magnetischer Permeabilität
aufweist.
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Eine
andere Bohrloch-NMR-Messvorrichtung ist beispielsweise in dem
US-Patent 4,710,713 , ausgegeben
für Taicher
et al., beschrieben. Die in dem '713-Patent
von Taicher et al. offenbarte Vorrichtung weist eine im Wesentlichen
zylindrische Permanentmagnetanordnung auf, die ein statisches Magnetfeld
induziert, das in einem Zylinderringraum eine im Wesentlichen gleichförmige Feldstärke hat.
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Die
in dem '713-Patent
von Taicher et al. offenbarte Vorrichtung wird insbesondere magnetoakustischen
und magnetostriktiven parasitischen Signalen oder einem "Nachschwingen" ausgesetzt. Da sich
die Antenne in dem stärksten
Teil des Magnetfelds befindet, können,
wenn elektrische HF-Impulse an die Antenne angelegt werden, zunächst durch
einen als "Lorenz-Kraft" bekannten Effekt
in der Antenne Schallwellen erzeugt werden. Die Antenne kehrt in ihre
ursprüngliche
Form in einer Reihe von gedämpften
mechanischen Schwingungen in einem Prozess zurück, auf den als "magnetoakustisches
Nachschwingen" Bezug
genommen wird. Das Nachschwingen kann große Spannungen in der Antenne induzieren,
die die Messung der von den NMR-Spinechos induzierten Spannungen
stören.
Zusätzlich befindet
sich der Magnet in dem Teil des HF-Magnetfelds mit höchster Stärke. Der
Magnet kann durch Magnetostriktion verformt werden. Wenn jeder HF-Leistungsimpuls
aufhört,
tendiert der Magnet zu einer Rückkehr
in seine Ursprungsform, wodurch, wie vorstehend erläutert, das
magnetostriktive Nachschwingen verursacht wird, das als magnetoakustisches
Nachschwin gen große
Spannungen in der Antenne induzieren kann, was das Messen der Spinechos
schwierig macht.
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Ein
weiteres NMR-Messgerät
ist in dem
US-Patent 5,712,566 ,
ausgegeben für
Taicher et al., beschrieben. Das '566-Patent erläutert die Nachteile der vorstehend
erwähnten
Patente einschließlich
der nachteiligen Wirkungen des magnetoakustischen und magnetostriktiven
Nachschwingens. Das '566-Patent
beschreibt eine restriktive Gestaltungsmethode für das Problem des Nachschwingens.
Diese Methode besteht darin, zunächst
den Permanentmagneten als Zylinder mit einer axialen Bohrung auszugestalten.
In der Bohrung des Permanentmagneten wird die Stabantenne (das weiche
Ferritmaterial ist einem magnetostriktivem Nachschwingen ausgesetzt)
angeordnet. Bei dieser speziellen Ausgestaltung wird die Sensorantenne
in dem Pol des Permanentmagneten angeordnet, wodurch das magnetoakustische
Nachschwingen wesentlich reduziert wird. Die spezielle Anordnung
der Antenne in der Bohrung verringert auch das magnetostriktive
Nachschwingen dadurch, dass eine im Wesentlichen vollständige Entmagnetisierung
des Ferritstabs während
der spannungslosen Periode des HF-Signals ermöglicht wird. Jedoch wird weiterhin
ein Nachschwingen auftreten, da das HF-Feld ein Magnetfeld induziert,
das den Ferritstab umgibt.
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Die
vorliegende Erfindung spricht einige der vorstehend beschriebenen
Nachteile dadurch an, dass bevorzugt das neue Konzept einer Materialmatrix
eingeführt
wird. Eine Matrix aus polygonalen Elementen, die aus magnetostriktiven
Materialien mit entgegengesetzten Eigenschaften besteht, die einen Teil
eines NMR-Geräts
bilden, wirken auf sich selbst dadurch, dass der Effekt der Magnetostriktion
in wenigstens einer Richtung aufgehoben wird. Das Gesamtergebnis
ist ein reduziertes magnetostriktives Nachschwingen in dem NMR-Gerät.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum Minimieren des magnetostriktiven Nachschwingens in einem Kernspinresonanzmessgerät während des
Bohrens bereit.
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Die
vorliegende Erfindung sieht eine Antenne vor, wie sie in Anspruch
1 beansprucht ist. Die Antenne hat eine induktive Wicklung und einen
Kern zur Steigerung der Induktivität der Wicklung. Der Kern hat
vorzugsweise weiterhin eine Vielzahl von positiven Platten, die
als polygonale Zylinder geformt sind und magnetostriktive Eigenschaften
haben, die sich durch eine Ausdehnung in bestimmten Richtungen bei
Vorhandensein eines Magnetfelds auszeich nen, sowie eine Vielzahl
von negativen Platten, die als polygonale Zylinder geformt sind
und magnetostriktive Eigenschaften haben, die sich durch Zusammenziehen
in den gleichen bestimmten Richtungen bei Vorhandensein des Magnetfelds
auszeichnen, wobei die positiven Platten und die negativen Platten
zur Bildung wenigstens einer Schicht einer Matrix so angeordnet
sind, dass sich positive und negative Platten abwechseln.
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Es
wird auch ein Kernspinresonanzgerät zum Analysieren eines Materials
bereitgestellt, wie es im Anspruch 2 beansprucht ist. Das Gerät hat einen
Magneten zur Schaffung eines ersten Magnetfeldes, das im Wesentlichen
zeitinvariant ist und wenigstens teilweise ein Volumen umschließt, in welchem
das Material vorhanden ist, eine Antenne zum Übertragen eines zweiten Magnetfelds
in dem Hochfrequenzbereich, das im Wesentlichen senkrecht zu dem
ersten Magnetfeld ist, wobei die Antenne zur Steigerung der Induktivität wenigstens
einen Kernabschnitt aufweist, der vorzugsweise weiterhin eine Vielzahl
von Platten aufweist, die so gekoppelt sind, dass Platten mit entgegengesetzten
dimensionalen Ansprechvermögen
auf ein Magnetfeld aneinandergrenzen, sowie einen Empfänger zum
Erfassen eines von dem Material emittierten Signals.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum
Analysieren eines Prüfvolumens
bereit, wie es im Anspruch 16 beansprucht ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung wird zum Analysieren von Formationsfluiden
mit einem NMR-Gerät
ein Verfahren bereitgestellt, bei welchem das Gerät in ein
Bohrloch an einer Drahtleitung oder einem Bohrgestänge befördert wird,
wobei ein erstes Magnetfeld erzeugt wird, das jenseits des Bohrlochs
und jenseits einer Invasionszone im Wesentlichen zeitinvariant ist
und wenigstens teilweise ein Volumen umschließt, in dem das Fluid vorhanden ist,
in dem Hochfrequenzbereich ein zweites Magnetfeld, das im Wesentlichen
senkrecht zu dem ersten Magnetfeld ist, mit einer Antenne übertragen
wird, die Antenne wenigstens einen Kernabschnitt zum Steigern der
Induktivität
hat, der wenigstens eine Kernabschnitt weiterhin eine Vielzahl von
Platten aufweist, die so gekoppelt sind, dass Platten mit entgegengesetzten
dimensionalen Ansprechvermögen
auf ein Magnetfeld zueinander benachbart sind, und mit einem Empfänger ein
Signal erfasst wird, das von dem Material emittiert wird.
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Für ein näheres Verständnis der
vorliegenden Erfindung wird auf die folgende detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausgestaltung in Verbindung mit den beiliegenden
Zeichnungen Bezug genommen, in denen gleiche Elemente die gleichen
Bezugszeichen haben, und
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1 eine
schematische Schnittansicht eines in einem Bohrloch angeordneten
NMR- Gerätesystems
ist,
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2 eine
schematische Schnittansicht eines NMR-Messgerätesystems ist, das in einem
Bohrloch an einem Drahtseil angeordnet ist,
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3 eine
Schnittansicht durch eine axiale Ebene des in 1 gezeigten
NMR-Geräts
ist,
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4 ein
Figurensatz gebildet von 4A bis 4E ist, die mehrere Ausgestaltungen von
Matrices aus positiven und negativen Platten zeigen, und
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5 ein
schematisches System der im Bohrloch befindlichen Elektronik nach
der vorliegenden Erfindung ist.
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1 ist
eine schematische Schnittansicht eines NMR-LWD-Systems, das insgesamt
bekannt ist, das jedoch so modifiziert und verbessert ist, wie es
bisher im Stand der Technik nicht bekannt ist. Ein Bohrsystem 100 hat
einen Gestängestrang 136,
der von einem verbundenen Gestängerohr
oder einem gewickelten Förderrohr
getragen wird. Der Gestängestrang 136 hat
eine Bohrlochsohlenanordnung (BHA – Bottom Hole Assembly) 104,
deren distales Ende einen Bohrmeißel 114 zum Bohren
eines Bohrlochs 138 von über Tage in eine unter Tage
befindliche Formation aufweist, um darin enthaltene Förderreservoirs
zu erreichen. Der Bohrmeißel 114 wird
gewöhnlich
dadurch gedreht, dass das Gestängerohr mit
einem Übertagemotor 132 oder
von einem im Bohrloch befindlichen, durch Spülfluid angetriebenen Motor
(nicht gezeigt) oder durch beide gedreht wird. Der Gestängestrang
hat eine zentrale Bohrung 112 zum Befördern von Bohrspülflüssigkeit
zum Bohrmeißel 114.
Wie durch Pfeile in 1 angezeigt ist, tritt die Spülflüssigkeit
aus dem Gestängerohr 136 durch mehrere
Kanäle 130 aus
und kehrt zur Oberfläche über den
Ringbereich (Ring) 140 zwischen dem Gestängestrang
und der Wand des Bohrlochs 138 zurück. An der Oberfläche wird
die Spülflüssigkeit
gereinigt und unter Druck zurück
zum Gestängestrang und
durch ein bekanntes geeignetes Zirkulationssystem 134 umgewälzt.
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Die
BHA 104 hat ein NMR-Messgerät zum Bestimmen wenigstens
eines interessierenden Parameters von Formationsfluiden, die in
der Untertageformation eingeschlossen sind. Wie bei bekannten Standardgeräten hat
das NMR-System der vorliegenden Erfindung ein oder mehrere Magnete 106 und 108 mit
im Wesentlichen zeitinvarianten (statischen) Magnetfeldern, die
sich in die Formation erstrecken. Diese Magnete sind gewöhnlich Permanentmagnete
oder Elektromagnete und haben Polenden, die gewöhnlich mit den Ausdrücken Nord
(N) und Süd
(S) bezeichnet sind. Die Magnete 106 und 108 sind
mit entgegengesetzten Magnetfeldern polarisiert und ausgerichtet,
indem die gleichen Pole zu einer Mittelebene zwischen den beiden
Magneten weisen. Diese Ausrichtung erzeugt ein starkes statisches
Magnetfeld in einem Prüfvolumen
jenseits des Bohrlochs und des Schlammkuchens. Das statische Magnetfeld
kann innerhalb des Volumens im Wesentlichen homogen sein, oder das
Feld kann in dem Volumen ein Gradientenfeld sein.
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Zwischen
den Magneten 106 und 108 ist ein HF-Antennenabschnitt 110 angeordnet.
Die Antenne 110 hat eine feldbildende Solenoidgruppe von HF-Übertragungs-
und -Empfangswicklungen 126, die um einen Kern 118 wendelförmig angeordnet sind,
der vorzugsweise aus einem weichen Ferritmaterial ausgewählt wird.
Bei einigen NMR-Geräteausgestaltungen
kann die Antenne 110 auch die Übertragung und den Empfang
koppelnde Steuerwicklungen 128 aufweisen, die wendelförmig um
zweckbestimmte Kerne 120 angeordnet sind. Die Antenne 110,
deren Einzelheiten nachstehend unter Bezug auf 3 beschrieben
werden, ist so gebaut und abgestimmt, dass ein Magnetfeld erzeugt
wird und sich in die Formation erstreckt. In einer Entfernung jenseits
des Schlammkuchens und des Eindringbereichs in das Bohrloch sind
die koplanaren Gleichfelder der Magnete 106 und 108 im
Wesentlichen homogen, während
das von der Antenne 110 erzeugte Feld eine im Wesentlichen
senkrechte Schnittebene in einem Volumen 124 hat, das als
Messvolumen, als empfindliche Zone oder als Prüfvolumen bekannt ist.
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Die
Antenne 110 des Geräts
wird gegenüber einer
Bohrlochumgebungsbeschädigung,
wie einem Aufprall von Steinbohrklein, das zur Oberfläche des Rings 140 strömt, durch
nicht gezeigte und nicht leitende Materialien und eine nicht leitende
Verschleißplatte 122 geschützt, die
gewöhnlich
aus einem harten, temperaturfesten Material, wie Keramik, ausgewählt wird.
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Gemäß 1 und 5 gehören zu weiteren
Elementen eine bohrlochseitige Leistungsquelle 502, Energiespeichervorrichtungen 504,
ein Übertragungsverstärker 506,
ein Empfangsverstärker 512 zum
Erhöhen
von kleinen NMR-Echos, die von einer Empfangsantenne 510 empfangen
werden, ein Prozessor 518 zum Umwandeln von Echos und Verarbeiten
von Daten, ein bohrlochseitiger Leistungsspeicher 516 (der
gewöhnlich
erforderlich ist, wenn eine Spülflüssig keits-Impulstelemetrie
verwendet wird) und ein Telemetriesystem 520 zum Senden
der verarbeiteten Daten zu einer über Tage befindlichen Steuerung 102.
Das System kann auch bei einer Drahtleitungsanwendung, wie sie in 2 gezeigt ist,
zum Einsatz kommen.
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2 zeigt
eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit einem Drahtseil. Bei einem typischen
Drahtseilmesssystem 200 werden eine Vielzahl von Messsensoren
und eine Steuereinheit in ein Bohrloch 216 zum Messen von
interessierenden Parametern im Bohrloch durch ein Bohrlochmesskabel 204 befördert. Das
Instrumentengehäuse 202 hat wenigstens
einen, jedoch vorzugsweise wenigstens zwei am Bohrloch angreifende
Kissenelemente 206 zur Schaffung einer Stabilität für die Sensoren.
Das Gehäuse 202 schließt das NMR-Gerät 210 ein,
das vorstehend anhand von 1 beschrieben
wurde. Der Antennenteil des NMR-Geräts 210 ist
vorzugsweise in dem Gehäuse 202 zwischen
den Kissenelementen 206 angeordnet. Wenn die HF-Antennenwicklungen
aktiviert sind, wird eine Empfindlichkeitszone 212 jenseits
des Schlammkuchens und der Eindringzone des Bohrlochs 216 erzeugt.
Eine über Tage
befindliche Zugeinrichtung 208 steuert die Position des
Gehäuses 202 und
des daran befestigten NMR-Geräts 210 in
herkömmlicher
bekannter Weise. In dem Bohrloch erfasste und verarbeitete Daten werden
an die Übertagesteuerung 214 geschickt,
die einen Prozessor und eine Ausgabe- oder Speichervorrichtung hat.
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Der
insoweit beschriebene Teil der vorliegenden Erfindung ist das bekannte
NMR-System. Die hier weiter zu beschreibende vorliegende Erfindung ist
eine Verbesserung gegenüber
dem Stand der Technik dahingehend, dass die vorliegende Erfindung
das Rauschen beträchtlich
verringern kann, wenn sie mit irgendeiner Ausführung eines NMR-Systems praktisch
arbeitet, und das Übertragungs-
und Empfangsantennen mit einem Kernmaterial verwendet, das einer
räumlichen
Verformung bei Vorhandensein eines Magnetfelds unterliegt. Beispielweise
hat die gerade beschriebene Ausgestaltung mehrere Kernabschnitte.
Die vorliegende Erfindung kann auch mit einem einzigen Kernabschnitt ausgeführt werden,
um den herum Übertragungs- und
Empfangswicklungen angeordnet sind.
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3 ist
eine Schnittansicht des Antennenteils der LWD-Ausführungsform
von 1, wobei weiterhin die Ferritkernelemente in einer
Matrixausgestaltung nach der vorliegenden Erfindung gezeigt sind.
Der HF-Antennenabschnitt 110 (siehe 1) befindet
sich zwischen den Magneten 106 und 108. Das Gerät ist als
in der BHA-Schwerstange (1) angeordnet gezeigt. Um einen
als Matrix gezeigten Kern 118 sind HF-Übertragungs- und -Empfangs-Wicklungen 128 wendelförmig angeordnet. Ebenfalls
gezeigt sind koppelnde Steuerwicklungen 128, die wendelförmig um
dedizierte Kerne 120 ebenfalls in Matrixform angeordnet
sind. Jede Matrix hat eine Vielzahl von polygonalen zylindrischen
Platten 302 und 304. Die Platten werden so ausgewählt, dass
einige magnetostriktive Ausdehnungseigenschaften in wenigstens eine
ausgewählte
Richtung haben, auf die hier als positive (+) Platten 304 Bezug genommen
wird. Andere Platten werden aus Materialien ausgewählt, die
zusammenziehende magnetostriktive Eigenschaften in wenigstens einer
ausgewählten
Richtung haben. Auf diese Platten wird als negative (–) Platten 302 Bezug
genommen.
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Zum
Bau der positiven und negativen Platten können alle geeigneten komplementären magnetostriktiven
Materialien verwendet werden. Beispielsweise zeigen Versuche, dass
das Ferrit K250 der Firma Kaschke eine negative Magnetostriktion
hat und die Ferrite F47 und F44 der Firma NMG-Neosid eine positive
Magnetostriktion zeigen. Die Ferrite F47 und F44 sind Mangan-Zink-Ferrite,
und K250 ist ein Nickelferrit. Bei der bevorzugten Ausführungsform
werden die Kernabschnitte mit Platten gebildet, die aus Ferrit in
die Form von "Ziegeln" gebracht werden,
wie es in 3 gezeigt ist. Die Ziegel werden
so angeordnet, dass sie einen vollständigen hohlen Kernzylinder
(d.h. keine Rippen in dem Ferrit) bilden.
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Zur
Nutzung der Wirkung einer Kompensierung eines magnetostriktiven
Effekts können
auch Mischferrite mit anderen Materialien (beispielsweise Metallen)
gemischt werden, die unterschiedliche magnetostriktive Eigenschaften
haben. Es kann auch vorteilhaft sein, eine relativ große Menge
von Ferriten mit einer kleinere Menge von Materialien mit einem extrem
großen
magnetostriktiven Effekt (beispielsweise Terfenol) zu mischen, die
eine Magnetostriktion in entgegengesetzter Richtung haben. Die Materialien
können
zu kleinen Ziegeln oder anderen Teilchen gemischt werden, solange
die Richtung der Magnetostriktion berücksichtigt wird. Bei der Wahl
eines Materials zur Mischung mit den Ferriten sollte sorgfältig vorgegangen
werden. Wenn beispielsweise ein Metallzusatzstoff verwendet wird,
sollte zum Mischen mit den Ferriten so wenig metallisches Material
wie möglich
verwendet werden. Sonst können
die magnetischen Eigenschaften der Ferrite über den Einsatz als Antennenkern
hinaus nachteilig beeinflusst werden.
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Bei
der vorliegenden Anmeldung definiert der Ausdruck negative Magnetostriktion
ein Material, das in wenigstens einer ausgewählten Richtung kontraktive
magnetostriktive Eigenschaften hat, während positive Magnetostriktion
ein Material definiert, das expansive magnetostriktive Eigenschaften
in wenigstens einer ausgewählten
Richtung hat.
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4 ist
eine Darstellung von mehreren polygonalen Querschnitten (4A bis 4D)
von zu Matrices kombinierten Platten. Jede Matrixbildung ist so lange
akzeptabel, wie die Anordnung von positiven Platten 304 und
negativen Platten 302 ein abwechselndes Muster in der Matrix
erzeugt. Jede Platte ist ein polygonaler Zylinder mit einer gewünschten
Anzahl von Umfangsseiten. Zwei Stirnflächen einer jeden Platte können im
Wesentlichen planar oder konturiert sein, um eine gewünschte Matrixform
zu ergeben.
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4E zeigt polygonale Zylinder in einem mehrschichtigen
Format. Jede Schicht 404 und 406 besteht aus einer
Matrix mit abwechselnden Platten, wie vorstehend beschrieben. In
gleicher Weise wird jede Platte in einer Schicht 404 so
ausgewählt
und angeordnet, dass sie der magnetostriktiven Bewegung der benachbarten
Schicht 406 oder der benachbarten Schichten entgegenwirkt.
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4C und 4D zeigen
die bevorzugte Auswahl und Anordnung von positiven Platten 304 und negativen
Platten 302 in den Fällen,
in denen ein Kernabschnitt 402 der Plattenmatrix einen
anderen Querschnitt haben muss als die umgebenden Platten. Möglich ist
auch ein Kernabschnitt 402 aus einem geeigneten Material,
das im Wesentlichen keine magnetostriktive Eigenschaften hat, um
den Fertigungsprozess zu vereinfachen. Die magnetostriktiven Eigenschaften
sind ihrer Art nach gewöhnlich multidirektional.
Die Platten sollten für
eine optimale magnetostriktive Auslöschung basierend auf der Wahl
der Geräteform
ausgewählt,
geformt und angeordnet werden.
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5 zeigt
einen Systemablauf des im Bohrloch befindlichen Elektronikteils
der vorliegenden Erfindung. Die Magnete, die im Wesentlichen ein Gleichfeld
erzeugen, sind nicht gezeigt. Die Elektronik kann in einer Vielzahl
von Aussparungen oder Taschen aufgenommen und zum Schutz der Bauelemente
vor Beschädigungen
aus der Umgebung abgedichtet werden.
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Die
Bauelemente können über oder
unter den Sensorelementen angeordnet werden. Vorzugs weise sind
die Verstärker 506 und 512 so
nahe wie möglich
an der jeweiligen Sendeantenne 508 und Empfängerantenne 510 angeordnet.
Eine falsche Anordnung kann außer
dem magnetostriktiven Nachschwingen zu einem Rauschen führen. Die
für den NMR-Betrieb
erforderlichen Hauptkomponenten sind ein HF-Sendeverstärker 506 zur
Aktivierung einer Sendeantenne 508, ein Empfängervorverstärker 512 mit
geringem Rauschen, der mit der Empfangsantenne 510 verbunden
ist, ein im Bohrloch befindlicher Prozessor 518 zum Steuern
von Impulsen, Erfassen von Echos und zum Analysieren und Komprimieren von
Daten sowie zur Steuerung des Geräts, eine elektronische Speichervorrichtung 516 für die Datenspeicherung
sowie ein Telemetriesystem 520 zum Senden der Daten nach über Tage.
Das Telemetriesystem 520 kann für LWD- und MWD-Anwendungen ein
Spülflüssigkeitsimpuls
sein oder bei Verwendung eines Drahtseils von einem Leiter gebildet
werden. Die Stromquelle 502 für die Elektronik ist gewöhnlich ein
von dem Spülflüssigkeitsstrom
angetriebener Turbogenerator, der mit einer Energiespeichervorrichtung 504 gekoppelt
ist, die die Energie speichert, um die für den Sensor zur Verfügung stehende
Leistung zu steigern.
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Innerhalb
des Rahmens der Erfindung sollen auch andere magnetische Resonanzanwendungen außerhalb
des Bohrlochmessfelds fallen, wo man eine Kompensierung eines magnetostriktiven
Nachschwingens haben möchte.
Beispielsweise verwenden bestimmte Anwendungen in der Medizin eine Magnetresonanz.
Bei diesen Anwendungen liegt das Prüfvolumen gewöhnlich in
einem Patienten. Die Permanentmagnete und die Antennen werden so
angeordnet, dass das statische Feld und das HF-Feld in den Patienten
gerichtet werden. Die verwendete medizinische Vorrichtung kann dadurch
verbessert werden, dass eine Antenne nach der Erfindung benutzt wird.
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Die
vorstehende Beschreibung richtet sich auf spezielle Ausgestaltungen
der vorliegenden Erfindung zum Zwecke der Veranschaulichung und
Erläuterung.
Für den
Fachmann ist jedoch offensichtlich, dass viele Modifizierungen und Änderungen
gegenüber
der vorstehend erwähnten
Ausgestaltung möglich
sind, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen. Die nachstehenden
Ansprüche
sollen so interpretiert werden, dass sie alle derartigen Modifizierungen
und Änderungen
mit umfassen.